aufheben. Das Dipolmoment ist das Produkt aus Ladungsdifferenz und dem

Weg von der einen zur anderen Ladung. Dabei muss man diesen Weg als Vektor vom weniger elektronegativen Atom zum elektronegativeren Atom auffassen, so dass das Dipolmoment selbst wieder ein Vektor ist, der zum elektronegativeren Atom zeigt.

Zusammenfassend kann man sagen:

Ein Molekül ist ein Dipol, wenn folgende zwei Bedingungen erfüllt sind:

1.Es gibt polare Bindungen in dem Molekül.

2.Das Molekül ist hinreichend asymmetrisch, so dass sich die Dipolmomente der einzelnen Bindungen nicht gegenseitig aufheben.

Kontrollfragen

1.Trotz stark polarer Bindungen ist Tetrafluorkohlenstoff, CF4, kein Dipol. Warum?

2.Untersuchen Sie, ob die in den Abbildungen 34, 36 und 40 dargestellten Moleküle Dipole sind.

4. Zwischenmolekulare Kräfte

Kräfte, so müssten molekulare Stoffe bei allen Temperaturund Druckbedingungen gasförmig sein. Am leichtesten sind die Dipol-Dipol-Kräfte zu verstehen: Das positive Ende eines Dipols bindet sich an das das negative Ende eines oder mehrerer benachbarter Dipole, wie z.B. in Abbildung 45 angedeutet.

Bei Stoffen, deren Moleküle keine Dipole sind, stellt man sich vor, dass durch vorübergehende ungleichmäßige Verteilungen der Elektronendichte temporäre Dipole entstehen. Diese induzieren in benachbarten Molekülen ebenfalls Dipoleigenschaften. Das negative Ende eines temporären Dipols verdrängt in einem benachbarten Molekül die Elektronen, das positive Ende zieht sie an. Dadurch entstehen kurzzeitig Anziehungskräfte, die kurz darauf wieder verschwinden und dafür an anderer Stelle neu auftauchen. Diese Kräfte nennt man London-Kräfte nach Fritz Wolfgang London (1900 – 1954). Die Stärke der London-Kräfte nimmt zu mit größer werdender Elektronenzahl der Moleküle, da sich in einer großen, leicht polarisierbaren Elektronenhülle leichter Dipole induzieren lassen. Statt der Anzahl der Elektronen eines Moleküls wird in der Praxis meist vereinfachend die molare Masse betrachtet. Die London-Kräfte, die durch temporäre Dipole zustande kommen, sind nicht so stark wie die Dipol-Dipol-Kräfte aufgrund von permanenten Dipolen, sofern die betrachteten Moleküle nicht stark unterschiedliche molaren Massen haben. Daher schmelzen und sieden Stoffe aus Dipolmolekülen im Normalfall bei höheren Temperaturen als Stoffe, deren Moleküle vergleichbar schwer sind, aber nicht aus Dipolen bestehen.

Exkurs: Der Begriff der Van-der-Waals-Kräfte

In der chemischen Literatur taucht auch der Begriff der „Van-der-Waals-Kräfte“ auf. Dieser Begriff ist allerdings problematisch, da er nicht einheitlich verwendet wird. In manchen Büchern, vor allem in Schulbüchern, wird mit dem Begriff „Van-der-Waals-Kräfte“ dasselbe gemeint wie oben mit dem Begriff „London-Kräfte“. In anderer Literatur, nämlich eher in der universitären, wird der Begriff „Van-der-Waals-Kräfte“ als Sammelbegriff für zwischenmolekulare Kräfte verwendet.

Kontrollfrage:

Ordnen Sie den folgenden Stoffen die korrekten Siedetemperaturen zu:

a) Propan, C3H8, b) Ethan, C2H6, und c) Methanal, auch Formaldehyd genannt, H2CO. Die Schmelztemperaturen in vertauschter Reihenfolge sind: –21°C, –42°C, –89°C.

Wasserstoffbrückenbindung

In Abbildung 46 sind die Siedetemperaturen verschiedener Stoffe bei Normaldruck aufgetragen. Die

Abbildung 46: Einfluss von Wasserstoffbrücken auf die Siedetemperatur

untersten Werte gehören zu den Edelgasen der 2. bis 5. Periode, Ne, Ar, Kr und Xe. Alle Stoffe bestehen, da sie atomar vorliegen, selbstverständlich nicht aus Dipolen. Die Anziehungskräfte sind also nur London-Kräfte. Je größer die molare Masse, desto größer die Siedetemperatur. Darüber findet man die Wasserstoffverbindungen der Elemente der 4. Gruppe, CH4, SiH4, GeH4 und SnH4. Da die Moleküle dieser Verbindungen alle symmetrisch sind, handelt es sich ebenfalls nicht um Dipole und es gilt wiederum, dass die Siedetemperatur mit der molaren Masse zunimmt.

Darüber findet man die Wasserstoffverbindungen der Elemente der 5. Gruppe (NH3, PH3, AsH3, SbH3), der 6. Gruppe (H2O, H2S, H2Se, H2Te) und der 7. Gruppe (HF, HCl, HBr, HI). Bei allen drei Reihen erkennt man deutlich, dass die jeweils erste Verbindung (also NH3, H2O, HF) eine unerwartet hohe Siedetemperatur besitzt. Bei Wasser, H2O, würde man beispielsweise eher eine Siedetemperatur von –80°C statt +100°C erwarten, um eine Gerade durch die Wasserstoffverbindungen der Elemente der 6. Gruppe zu erreichen. Diese Abweichung liegt teilweise in der Tatsache begründet, dass H2O-Moleküle starke Dipole sind, H2S, H2Se und H2Te jedoch nicht. Die Abweichungen sind aber derart deutlich, dass dafür keine normalen Dipol-Dipol- Bindungen verantwortlich sind, sondern Wasserstoffbrückenbindungen. Sie kommen zustande, wenn ein oder mehrere Wasserstoffatome an ein kleines, stark elektronegatives Atom, nämlich F, O oder N, gebunden sind und es an diesem Atom ein oder mehrere freie Elektronenpaare gibt. Zieht nämlich der elektronegativere Partner das einzige Elektron des Wasserstoffatoms stark an, so liegt dessen positiv geladener Atomkern auf der gegenüberliegenden Seite praktisch „nackt“ vor. Von

dieser positiven Ladung werden die freien Elektronenpaare eines anderen Moleküls gebunden (siehe Abbildung 47; die gestrichelte Linie symbolisiert die Wasserstoffbrücke, also die Bindung zwischen zwei verschiedenen Molekülen).

Die Wasserstoffbrückenbindungen, die durch an F-Atome gebundene H-Atome zustande kommen, sind die stärksten, gefolgt von denjenigen, die durch an O-Atome gebundene H-Atome zustande kommen. Die Wasserstoffbrückenbindungen bei H-Atomen, die an ein N-Atom gebunden sind, sind relativ schwach, da das N-Atom größer und weniger elektronegativ ist als das O-Atom und insbesondere das F-Atom. Dennoch ist die Veränderung der Siedetemperatur durch die Wasserstoffbrückenbindung bei H2O stärker als bei HF, da es pro Molekül mehr Wasserstoffbrücken gibt, da jedes H2O-Molekül zwei H-Atome und und zwei freie Elektronenpaare hat, wogegen bei HF die H-Atome knapp sind (nur eines pro Molekül). Bei NH3 wiederum gibt es zwar pro Molekül drei H-Atome, hier sind aber die freien Elektronenpaare knapp (nur eines pro Molekül).

Zusammenfassung: Schmelzund Siedetemperaturen

Siedetemperaturen.

Von den molekularen Stoffen haben, wenn die molaren Massen etwa gleich groß sind, diejenigen Stoffe, die Wasserstoffbrücken zwischen ihren Molekülen ausbilden, die höchsten Schmelzund Siedetemperaturen, gefolgt von den Dipolen, die durch Dipol-Dipol-Kräfte zusammen gehalten werden. Zuletzt kommen die Stoffe, die sich aus Molekülen aufbauen, die keine Dipole sind. Hier werden die Moleküle nur durch London-Kräfte zusammen gehalten. Da die London-Kräfte mit der Größe der Elektronenhülle zunehmen, haben von diesen Stoffen diejenigen die niedrigsten Schmelzund Siedetemperaturen, welche die wenigsten Elektronen besitzen. Statt der Anzahl der Elektronen betrachtet man meist vereinfachend die molare Masse.

Kontrollfrage:

Ordnen Sie den folgenden Stoffen die richtige Siedetemperatur zu. Begründen Sie Ihre Zuordnung. Magnesiumoxid MgO, Methanol („Methylalkohol“) H3COH, Ethan C2H6, Natriumchlorid

V. Das chemische Gleichgewicht

1. Die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen

Definition der Reaktionsgeschwindigkeit

Chemische Reaktionen brauchen Zeit, um abzulaufen. Wie lange eine Reaktion braucht, kann sehr unterschiedlich sein: Die Explosion eines Sprengstoffs läuft in Sekundenbruchteilen ab, ein Stück Holz benötigt einige Minuten, um zu verbrennen, der Stahl einer Autokarosserie braucht Jahre, um zu verrosten.

Diese Beispiele vermitteln eine Idee von der Reaktionsgeschwindigkeit. Will man sich genauer mit ihr beschäftigen, so braucht man eine exakte Definition. Unter der Geschwindigkeit v als solcher versteht man in der Physik die Änderung des Ortes s pro Zeit t, also die erste Ableitung des Ortes s

Die so definierte Reaktionsgeschwindigkeit ist allerdings davon abhängig, auf welchen Stoff man sie bezieht. Betrachtet man z.B. die Reaktion

positives Vorzeichen, weil die Konzentration von HI mit fortschreitender Zeit mehr wird. Außerdem

doppelte Stoffmenge und damit die doppelte Konzentration HI, als Stoffmenge und Konzentration

Um eine Reaktionsgeschwindigkeit zu erhalten, die unabhängig ist vom betrachteten Stoff ist, kann

Konzentration der i-ten Komponente der Reaktion und νi44 der stöchiometrische Faktor der i-ten Komponente, wobei die stöchiometrischen Faktoren der Edukte mit negativem Vorzeichen versehen werden. Dadurch ist die Reaktionsgeschwindigkeit stets positiv.

Kontrollfrage:

Iod, I2, und Wasserstoff, H2, werden in einem Gefäß des Volumens V = 2 L zur Reaktion gebracht. Pro Sekunde entstehen 0,1 mol HI. Bestimmen Sie die Reaktionsgeschwindigkeit.

44 der griechische Buchstabe ny, siehe griechische Buchstaben im Anhang

Exkurs: Alternative Definition der Reaktionsgeschwindigkeit

In der Fachliteratur wird die Reaktionsgeschwindigkeit oft auch definiert als die Ableitung der Reaktionslaufzahl ξ45,

Vorteile bei Reaktionsbedingungen mit variablem Volumen, ist aber weniger geeignet, das chemische Gleichgewicht zu erläutern und wird hier daher nicht verwendet.

Wovon hängt die Reaktionsgeschwindigkeit ab?

Verschiedene Faktoren beeinflussen die Geschwindigkeit einer Reaktion:

1.Zerteilungsgrad: Ein großes Stück Kohle (kleiner Zerteilungsgrad) verbrennt langsam, während die gleiche Masse Kohlenstaub (hoher Zerteilungsgrad) explodieren kann.

2.Temperatur: Die meisten Reaktionen laufen bei hohen Temperaturen schneller ab als bei niedrigen Temperaturen.

3.Katalysatoren, Inhibitoren, Enzyme: Ein Katalysator ist ein Stoff, der eine Reaktion beschleunigt, ohne dabei verbraucht zu werden. Ein Inhibitor verzögert eine Reaktion und ist somit das Gegenstück zu einem Katalysator. In der Biochemie sagt man statt Katalysator Enzym.

4.Konzentration der Edukte: Ein Stück Magnesium reagiert relativ langsam mit verdünnter Salzsäure, aber sehr rasch mit konzentrierter Salzsäure.

Konzentration der Edukte

Eine Reaktion heißt Elementarreaktion, wenn sie direkt in einem Schritt, also nicht in mehreren Teilreaktionen abläuft. Beispiel: Die Reaktion

H2 + I2 → 2 HI

ist keine Elementarreaktion, da diese Reaktion in Wirklichkeit das Ergebnis folgender Reaktion ist:

I2 → 2 I

2 I + H2 → 2 HI

Die letzten beiden Reaktionen sind Elementarreaktionen. Die Reaktionsgleichung einer Elementarreaktion gibt die tatsächlichen mikroskopischen Gegebenheiten wieder. Bei der letzten Reaktion treffen sich also tatsächlich immer drei Teilchen, nämlich zwei Iod-Atome und ein Wasserstoffmolekül, um zwei Iodwasserstoffmoleküle zu bilden.

Die Reaktionsgeschwindigkeit einer Elementarreaktion ist proportional zur Konzentration eines Edukts in Potenz dessen stöchiometrischen Faktors. Das bedeutet beispielsweise für die Reaktion

2 I + H2 → 2 HI

vR cH2 und vR c2I . Dies ist plausibel, denn bei doppelter Konzentration von H2 ist es

doppelt so häufig, dass sich zu einem Zeitpunkt ein H2-Molekül und zwei I-Atome an einem Ort aufhalten und reagieren können. Verdoppelt man die Konzentration der I-Atome, so vervierfacht sich diese Wahrscheinlichkeit sogar.

45 Der griechische Buchstabe xi. Siehe auch das griechische Alphabet im Anhang.

Geschwindigkeitskonstante. Manchmal wird auch der englische Name für k, rate coefficient, übersetzt und k als Ratenkoeffizient bezeichnet.

Kontrollfrage:

Welche Einheit hat die Geschwindigkeitskonstante k bei der Reaktion

2 I + H2 → 2 HI ?

Hat sie bei jeder Reaktion diese Einheit?

e-DaF: Das Kapitel V enthält noch mehr „so-dass-Sätze“ als das vorige. Zeit, diese konsekutiven Verknüpfungen von Aussagen zu üben!

Katalyse

Der Autokatalysator als Beispiel eines Katalysators

Ein gutes Beispiel für die Anwendung eines Katalysators ist der Autokatalysator, der im Auto benutzt wird, um die Giftigkeit der Abgase zu verringern. Diese Anwendung eines Katalysators ist derart bekannt, dass viele Leute irrtümlich glauben, die Bedeutung des Wortes „Katalysator“ wäre „Abgasreinigungsgerät“. Die Abgase eines Automotors enthalten unter anderem die stark giftigen Gase Kohlenmonoxid, CO, und Stickstoffmonoxid, NO. Diese beiden Gase können miteinander reagieren gemäß der folgenden Reaktionsgleichung:

2 CO + 2 NO → 2 CO2 + N2

Der dabei entstehende Stickstoff, N2, ist völlig harmlos, das entstehende Kohlendioxid, CO2, auf jeden Fall weit weniger schädlich als die Edukte. Die Reaktion verläuft aber so langsam, so dass in der kurzen Zeit von der Entstehung von Kohlenmonoxid und Stickstoffmonoxid beim Verbrennungsprozess im Motor bis zum Ausstoß aus dem Auspuff keine bedeutende Menge dieser Giftgase durch die Reaktion verschwinden würde. Nach dem Ausstoß aus dem Auspuff verteilen sich Kohlenmonoxid und Stickstoffmonoxid in der Luft, so dass ihre Konzentration derart sinkt, dass in der Luft die Reaktion der beiden Gase miteinander so langsam wird, dass sie selbst über längere Zeiträume keine nennenswerte Verringerung von CO und NO hervorruft. Wird nun ein Katalysator, der die Reaktion von Kohlenmonoxid und Stickstoffmonoxid zu Kohlendioxid und Stickstoff beschleunigt, vor dem Auspuff in den Abgasstrom eingebaut, so wird die Reaktion derart beschleunigt, dass der Großteil dieser beiden Giftgase vernichtet wird. Der Katalysator kann aber nur gut arbeiten, wenn etwa gleich viel CO und NO im Abgas vorliegen, da beide Edukte mit dem selben stöchiometrischen Faktor in der Reaktionsgleichung auftauchen. Dies erreicht man durch Regelung des Mischungsverhältnis von Benzin zu Luft im Motor, da eine größere Luftzufuhr beim Verbrennen des Benzins die CO-Produktion senkt. Außer der oben genannten Reaktion werden durch moderne Autokatalysatoren auch noch andere Reaktionen beschleunigt, um die Giftigkeit der Abgase zu reduzieren. Der Autokatalysator besteht aus Keramikwaben, die mit den eigentlichen Katalysatoren, nämlich Platin, Palladium und Rhodium, beschichtet sind.